Alternative Kraftstoffe in der Seeschifffahrt

Karl-Heinz Hochhaus

 

 

Inhalt

 

1: Einführung

 2. Flüssiges Erdgas (LNG)

3. Beschreibung der  ''Seagas''

4. Welche Treibstoffe nutzt die zukünftige Schifffahrt

5.   Ammoniak-Motor  (AEngine-Projekt)

6. Zusammenfassung

7. Literatur und Quellen

 

1 Einführung

 

In den Städten steigen die Probleme mit den Motorabgasen und trotz aller Maßnahmen an den Dieselmotoren der PKWs wurde die Luft nicht besser. Heute ist bekannt, mit welchen Tricks der Einsatz von Adblue, einer wässrigen Harnstofflösung für den Katalysator, minimiert wurde.

 

Die Anstrengungen der Post, von der deutschen Autoindustrie umweltfreundliche Lieferfahrzeuge zu erhalten, führte zu keinem befriedigenden Ergebnis. Daher ging die Post unter die Autobauer, entwickelte einen Elektrotransporter und ersetzt ab 2016 ihre Dieselfahrzeuge durch akkubetriebene „Streetscooter“. Im nächsten Schritt folgt das Lastenfahrrad mit Akkumulatoren, mit dem rund 1 Kubikmeter Pakete ausgefahren werden. Beide Maßnahmen verbessern die Luft in unseren Städten und zeigen, wie es gehen kann.

 

 In der Seeschifffahrt ist es nicht so einfach, Abgasprobleme mit Akkueinsatz zu lösen, obwohl auch das vereinzelt in der Fährschifffahrt gelungen ist [1].  Es sind die Vorschriften der IMO, die für vermehrte Anstrengungen in der Schifffahrt und Motorenindustrie sorgen. Neben dem Schwefelgehalt im Abgas bereiten die Stickoxyde (NOx) und langfristig das Kohlendioxyd (CO2) extreme Probleme. Daraus wird ersichtlich, dass Schweröl als Kraftstoff in Zukunft verschwinden wird, auch Mitteldestillate (MDO, MGO) aus Erdöl sind bei der Verbrennung mit CO2, NOx und Ruß behaftet. Pro kg Kraftstoff werden rund 3 kg CO2 emittiert.

 

Mit den aktuellen Projekten (Ammoniak-Motor (AEngine-Projekt) und AmmoniaMot) arbeiten Motorhersteller daran, dass Schiffsmotoren kein CO2 mehr emittieren.

 

2. Flüssiges Erdgas (LNG)

Flüssiges Erdgas (LNG) wird als Übergangstreibstoff betrachtet, da weniger CO2, NOx und praktisch keine Partikel emittiert werden. Es verbleiben letztendlich aus Überschussstrom synthetisch hergestellte Kraftstoffe wie  Wasserstoff und Methanol, um die am 12. Dezember 2015 in Paris festgeschriebenen Ziele der internationalen Klimapolitik, die Begrenzung des Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur auf  2 °C oder weniger, bis 2050 zu erreichen.

 

 Trotz mehrfacher Ankündigungen verfügen deutsche Häfen immer noch nicht über eine Bunkerstation oder ein Bunkerschiff für LNG. Die schwedische ''Seagas'' ist das erste LNG-Bunkerschiff, sie wurde im  März 2013 in Stockholm getauft.

 

2.1. LNG Bunkerschiff „Seagas“

Die ''Seagas'' (Abb.3) ist ein Gemeinschaftsprojekt, um im Stockholmer Hafen Schiffe mit LNG zu bebunkern. Beteiligt waren die Hafenbehörde Stockholm, schwedischen Behörden, das zur Linde Group gehörenden Industriegasunternehmens AGA und die Viking Line. Betreiber der Seagas im Auftrag des Schiffseigners AGA ist die schwedische Sirius Rederei.

 

Aktueller Hintergrund dieser Aktivitäten war der Neubau des 57.000 BRZ Fährschiffes ''Viking Grace'' , für 2.800 Passagiere, die seit Januar 2013 im täglichen Liniendienst zwischen Stockholm, Mariehamn und Turku pendelt. Sie wird von vier Wärtsilä-8L50DF(Dual-Fuel) Motoren angetrieben. Dabei verwenden die Motoren laut Reedereiangaben jeweils ein Gemisch aus 99 % LNG und 1 % Marinedieselöl (MDO). Das MDO wird zur Zündung des Verbrennungsprozesses benötigt. Das LNG lagert auf  Deck 6 der ''Viking Grace'' bei -162 °C und 5 bar in zwei 200 m³ großen Stahltanks, die jeweils eine Kapazität von 130 t Kraftstoff haben (Abb. 2).

 

3. Beschreibung der  ''Seagas''

Bei der ''Seagas'' handelt es sich um die 1974 auf der Løland Verft A/S gebaute Autofähre ''Fjalir'', die auf der Fiskerstrand Werft zu einem LNG-Bunkerschiff umgebaut wurde. Die Seagas misst rund 47 x 11 Meter und hat einen Tiefgang von 3,11 Meter. Sie wird von einem Dual-Fuel-Hauptmotor vom Typ Alfa MAN B&W 6L23/30A mit 735KW Nennleistung bei 828 U/min angetrieben. (Weitere Daten siehe Tabelle 1).

 

Der tägliche Bunkervorgang mit 60 bis 70 Tonnen Flüssiggas dauert etwa eine Stunde. Die Versorgung der ''Seagas'' erfolgt per LKW von dem rund 60 Straßenkilometer entfernten LNG-Terminal Nynäshamn.

 

Name

„Seagas“

Rufzeichen

SDMO

Flagge

Schwedisch

Heimathafen

Stockholm

Bauwerft

1974 at Løland Verft AS Norway

Umbauwerft

  2013 at Fiskerstrand Verft AS Norway

Klasse

DNV+1A 1, Tanker for LNG, Ice C

IMO Nummer

7382691

Vermessung

626 BRZ

Light ship

659

Dead weight

129

Länge Lpp

46,75 m

Länge Lüa

49,65 m

Breite

11,25 m

Hauptmotor

Alfa MAN B&W 6L23/30A

Nennleistung

735 KW, 828 U/min

Geschwindigkeit

12,5 kn

Tiefgang

3,11 m

LNG-Tank Typ

1870-HCB-15-DNV/PED

 Volumen

187m3

Max Arbeitsdruck

15 Bar

 

 

 

Tabelle 1: Daten des schwedischen Bunkerschiffe „Seagas“

 

Energieträger

Volumetrische
Energiedichte
kWh/l

Tem-

peratur

 °C

Druck
bar

Schweröl

11,4

25

1

Dieselkraftstoff

10

25

1

LPG

6,9

25

5 - 10

LNG

5,6

-160

1

Methanol

4,4

25

1

Wasserstoff

2,4

25

700

Wasserstoff

1,9

-253

1

 

Tabelle 2: Energiedichten verschiedener Kraftstoffe  bezogen auf den Heizwert

 

3.1 Umbau der „Stena Germanica“ auf den Kraftstoff Methanol
Die 2001 in Spanien gebaute und 2007 auf der Lloyd Werft in Bremerhaven um rund 50 m auf 240 Meter verlängerte RoPax-Fähre  „Stena Germanica“ (Daten Tabelle 2) war 2015 das erste Schiff, das mit dem Kraftstoff Methanol betrieben wird. Das Umbauprojekt wurde 2015 auf der polnischen Remontowa-Werft durchgeführt und erfolgte in Kooperation mit dem Motorenhersteller Wärtsilä, dem Hafen Göteborg, dem Seehafen Kiel und dem weltweit führenden Methanolhersteller Methanex Corporation. Der sechswöchige Umbau wurde im Rahmen eines F- und E-Projektes durchgeführt, von der EU-Initiative „Motorways of the Seas“ gefördert und die Gesamtkosten beliefen sich auf 22 Millionen Euro.

Methanol erfüllt die neuen Anforderungen zur reduzierten Schwefeloxid-Emission in Nord- und Ostsee. Beide Gewässer gehören zu den so genannten Sulphur Emission Control Areas (SECA). Ab dem 01. Januar 2015 dürfen in SECAs nur noch Treibstoffe mit einem Schwefelmassenanteil von maximal 0,1 % verbrannt werden. Dabei ist Methanol als Kraftstoff ebenso geeignet wie das häufiger verwendete LNG oder Marinediesel. Alternativ wurden Schiffe auch vielfach zur Abgasreinigung mit Scrubbern und Katalysatoren nachgerüstet.
.
3.2 Neue Schiffsmotoren mit Methanol als Treibstoff
Am 1. Juli 2013 hat MAN Diesel & Turbo die Entwicklung eines neuen MAN B & W ME-LGI Dual-Fuel-Motors angekündigt, um das Treibstoffangebot der Motoren zu erweitern. Mit der Piloteinspritzung von MGO überwindet das ME-LGI-Design die schlechte Zündqualität von Methanol und anderen Kraftstoffen mit niedrigem Cetananteil.
Zu dieser Zeit wurden vom DNV GL als Klassifikationsgesellschaft Regeln und Vorschriften für Schiffe und Schiffsmotoren mit zündunwilligen Treibstoffen erstellt und veröffentlicht. Damit wurde dafür gesorgt, dass die Anordnung und Installation dieser Anlagen und Systeme bezüglich der Sicherheit und Verfügbarkeit mit konventionellen Anlagen gleichwertig sind. Damit ist die Verwendung von umweltfreundlichern Treibstoffen wie Methanol und Ethanol, in der Schifffahrt zugelassen.
Daraufhin wurden 7 Tanker in Auftrag gegeben, die Methanol in Dual-Fuel-Motoren verbrennen. Inzwischen wurden diese Tanker von zwei Werften gebaut, an drei Reedereien abgeliefert und sind in Fahrt.

3.3 Tanker „Lindanger“ mit Methanol als alternativen Treibstoff
Vier der sieben Schiffe mit Methanolantrieb wurden von Hyundai Mipo Dockyard Co., Ltd (HMD) für die norwegischen Reeder Westfal-Larsen und Marinvest gebaut. Die Dual-Fuel-Hauptmotoren kommen aus der Motoren- und Maschinenbau-Abteilung von Hyundai Heavy Industries. Der Produktentanker „Lindanger“ der norwegischen Reederei Westfal-Larsen in Bergen war das erste Schiff dieser Spezialtankerserie, die alle von der Reederei Waterfront Shipping gechartert wurden. Westfal-Larsen ist die zweitgrößte Reederei in Norwegen mit Schwerpunkt Chemikalien- und Produktentanker.

Bei der „Lindanger“ handelt es sich um einen 50.000 tdw Produktentanker, der 2016 auf der Hyundai Mipo Dockyard Co., Ltd. gebaut wurde. Mit einer Länge von 178 m, Breite von 32,2 m und einem Tiefgang ist er mit 30.945 BRZ vermessen. Er wurde von DNV GL klassifiziert, führt die norwegische Flagge und ist in Bergen beheimatet.

Die „Lindanger“  wird von einem Dual-Fuel-Hauptmotor Hyundai-B&W 6G50ME-9.3 LGIB mit einer Nennleistung von 10.320 kW bei 100 U/min angetrieben, der mit MGO als Pilotöl mit Methanol gefahren wird. Damit erreicht der Tanker eine Nenngeschwindigkeit von 15,8 Knoten.

Die drei Neubauten „Manchac Sun“, „Taranaki Sun“ und „Cajun Sun“ für die Reederei Mitsui OSK Lines (MOL) kamen von der japanischen Werft Minami Nippon Shipbuilding, die Hauptmotoren wurden von Mitsui Engineering & Shipbuilding (MES) gebaut und geliefert.

3.4 Waterfront Shipping
Die Reederei Waterfront Shipping ist ein globales Schiffsunternehmen mit Hauptsitz in Vancouver Kanada), das sich auf den Transport von Massenchemikalien und sauberen Erdölprodukten spezialisiert hat. Eine Flotte von 26 modernen Tankern mit Tragfähigkeiten zwischen 3.000  und 50.000 tdw transportiert Ladungen an die wichtigsten internationalen Märkte in Nordamerika, Asien, Europa und Lateinamerika. Die Waterfront Shipping Company ist eine hundertprozentige Tochtergesellschaft der Methanex Corporation, die als der weltweit größter Produzent und Lieferant von Methanol gilt und über eigene global verteilte Terminals und Tankanlagen verfügt.

Name

„Stena Germanica“

IMO Nummer

9145176

Baujahr

2001

Umbau

2007

Länge

241,26 m

Breite

28,70 m

Tiefgang

6,3

Vermessung

51850 BRZ

Tragfähigkeit

10670

laufende Spurmeter

3900 m

Passagiere

1.500

Motor                                                         

4xWärtsilä 8ZAL 40S MD

Gesamtleistung

23.000 kW

 

Tabelle 3: Daten der „Stena Germanica“

 

 

Name

„Lindanger“

Rufzeichen

LATL7

IMO Nummer

9725299

Flagge

Norwegen

Heimathafen

Bergen

Eigner

Welco Eco Ship AS

Bauwerft

Hyundai Mipo Dockyard Co., Ltd.

Baujahr

2016

Länge Lpp

186.06 m

Länge Lüa

178 m

Breite

32,2 m

Tiefgang

12,85 m

Vermessung

30945 BRZ

Tragfähigkeit

50.000 tdw

Hauptmotor

Hyundai-B&W 6G50ME-9.3 LGIB

Nennleistung

10.320 kW  bei 100  U/min

Geschwindigkeit

15,8 kn

Schiffstyp

Produkttanker (< 60 °C)

Klasse

DNV GL

 

 

Tabelle 4: Daten des Tankers “Lindanger“

 

Ausblick bis 2050 auf die künftigen Kraftstoffe der Schifffahrt (Quelle DVZ)

 

4. Welche Treibstoffe nutzt die zukünftige Schifffahrt 

 

Schiffe haben eine Lebensdauer von 20-30 Jahre. Daher ist anzunehmen, dass sich die Reeder bei kommenden Neubauten oft für einen der CO2-optimierten Dual-Fuel-Motor entscheiden werden, um flexibel zu sein. Darauf bereiten sich die Motorhersteller MAN und Wärtsila vor, die in zwei bis drei Jahren entsprechende Motoren anbieten wollen [4, 5].

 

Wie die Motorhersteller arbeiten auch die Ölgesellschaften und die Verfahrensindustriean Brennstoffen  sowie die Zulieferer der Werftindustrie an Brennstoffystemen für Ethanol, Methanol sowie Ammoniak und stellen sich auf eine größere Vielfalt bei den Treibstoffen ein. Für die Häfen gilt schon heute, dass sie sich mit entsprechenden Bunkermöglichkeiten auseinander setzen müssen, um das LNG-Debakel zu vermeiden.

 

Neben Alkoholen wie  Methanol und Ethanol wird seit wenigen Jahren auch an Ammoniak geforscht.  Die Klassifikationsgesellschaft  DNV erwartet, dass Ammonik bis 2050 in der Schifffahrt etwa 30% der Treibstoffe ausmachen wird. Andere Fachleute rechnen mit rund 25%

 

.Schiffe haben eine Lebensdauer von 20-30 Jahre. Daher ist anzunehmen, dass sich die Reeder bei kommenden Neubauten oft für einen der CO2-optimierten Dual-Fuel-Motor entscheiden werden, um flexibel zu sein. Darauf bereiten sich die Motorhersteller MAN und Wärtsila vor, die in zwei bis drei Jahren entsprechende Motoren anbieten wollen [4, 5].

 

 

Verladen der Biokonverter für die AcelorMittal  vom Schwergutschiff auf eine Transportbarge (Quelle AcelorMittal)

 

4.1 Steelanol  (Ethanol aus Rauchgasen von Stahlwerken)

 

Das Stahlunternehmens ArcelorMittal arbeitet daran, Ethanol aus Rauchgasen von Stahlwerken zu gewinnen. Das dabei produzierte Ethanol wurde unter dem Markennamen Steelanol eingetragen und  ist ein von der EU anerkannter Biokraftstoff.

 

Die Rauchgase der Stahlwerke werden abgekühlt und durch mit Wasser gefüllte Biokonverter  bei Temperaturen um 37 °C geleitet. Mit diesem Gasfermentationsverfahren wandeln die darin enthaltenen Mikroben einen Großteil des Kohlenmonoxid der Rauchgase in Bioethanol um. Das Ethanol wird aus dem Wasser abdestilliert, verflüssigt und kann für die Herstellung von Kunststoffen oder als Treibstoff für Transportzwecke verwendet werden.

 

Die Abgase der Stahlindustrie weisen  mit 24%-56% eine hohe Konzentration an CO auf.  Es wird erwartet, dass die mit dieser Technologie etwa 90 % des CO verwertet wird, um etwa 50 kg Biomasse (hauptsächlich Bioethanol) pro Tonne produzierten Stahls zu erzeugen.


Eine Demonstrationsanlage mit einer Kapazität von ca. 25.000 Tonnen Ethanol pro Jahr wird in den ArcelorMittal-Werken in Belgien gebaut. Die erste ihrer Art in Europa und die größte bisher gebaute Anlage, die diese Technologie weltweit nutzt. Die Technologie wird von LanzaTech geliefert und die Engineering-Arbeiten werden von Primetals durchgeführt.

 

April 2020 in Kopenhagen: Ankunft des neuen 2-Takt-Versuchsmotors aus Südkorea, der für die Ammoniak-Untersuchungen dienen wird (Foto Research Center Copenhagen (RCC))

 

5.   Ammoniak-Motor  (AEngine-Projekt)

 

Im AEngine-Projekt werden mit Ammoniak als Kraftstoff betriebene Zweitaktmotoren für den Schiffsantrieb untersucht. Da Ammoniak ((NH3) keinen Kohlenstoff (C) enthält, entsteht bei der Verbrennung von Ammoniak kein Kohlenmonoxid (CO), kein Kohlendioxid (CO2) sowie keine Kohlenwasserstoffe (HC) oder Ruß (Partikel).

"Industriekonsortium entwickelt Mittelschnellläufer mit Ammoniakantrieb": 

 lautete die MAN Pressenotiz von Mittwoch den 7. April 2021.

 

MAN Energy Solutions hat für die Anwendung in zukünftigen 4-Takt-Motoren mit dem Projekt „AmmoniaMot“ begonnen. Das von MAN mit Partnern aus Industrie und Forschung initiierte Projekt hat zum Ziel, die zur Herstellung eines Dual-Fuel-Motors für mittlere Drehzahlen erforderlichen Entwicklungsschritte durchzuführen. Der 4-Takt-Motor soll sowohl mit Dieselkraftstoff als auch Ammoniak betrieben werden [7].

 

Hintergrund ist die Dekarbonisierung der Schifffahrt, die von der IMO bis 2050 zu 50% zugesagt wurde.

 

Zu den Projektpartnern gehören die Technische Universität München sowie die Unternehmen Neptun Ship Design in Rostock, WTZ in Roßlau (Vorläufer des heutigen WTZ Roßlau war das 1952 von ehemaligen Junkers-Ingenieuren gegründete Konstruktions- und Entwicklungsbüro Dieselmotoren Roßlau) und Woodward L'Orange. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) gefördert und hat eine Laufzeit von drei Jahren, beginnend im Dezember 2020.

6. Zusammenfassung

 

In unseren Städten führen Abgasemissionen der LKWs und Pkws zu Problemen. Auch die Luftfahrt und Schifffahrt ist an der Luftverschmutzung beteiligt. Die für die Schifffahrt zuständige internationale IMO hat reagiert und entsprechende Vorschriften erlassen, die ein Umdenken der Reeder, Werften und Motorhersteller erforderte. Scrubber und Katalysatoren werden auf fahrenden Schiffen eingebaut, um die Abgase im Schwerölbetrieb zu reinigen. Für neue Schiffe wurden sogenannte Dual-Fuel-Motoren entwickelt, die auf den Betrieb mit Flüssiggas  umschaltbar sind. 2015 wurden erste Schiffe für den Kraftstoff Methanol (andere Bezeichnungen Methylalkohol oder Spiritus) eingerichtet. Auch dafür stehen inzwischen Schiffsantriebsmotoren zur Verfügung. Zur Erinnerung, bereits 1904 wurden in Wien von Deutz und Körting Spirituskraftmaschinen ausgestellt [3]. 

 

7. Literatur und Quellen

 

[1] Hochhaus, Karl-Heinz: Klimaschutz und Schifffahrt; 2016 Schiffs-Ingenieur Journal  Juli/August  (Seite 7-10)

 

[2] Reuss, Hans Jürgen: Schiffskraftstoffe der Zukunft; 9. Januar 2017, VEUS-Shipping.com

 

[3] Fischer, Gustav: Die Spirituskraftmaschinen auf der internationalen Ausstellung für Spiritusverwertung und Gärungsgewerbe in Wien, 1904, Polytechnische Journal Band 319 (Seite 497–502)

 

[4] Pospiech, Peter: Wärtsilä forciert Tests mit Ammoniak als Schiffskraftstoff; 30. März 2020 in https://veus-shipping.com/2020/03/waertsilae-forciert-tests-mit-ammoniak-als-schiffskraftstoff/

 

[5] MAN Energy Solutions leitet dänisches Konsortium zur Entwicklung eines mit Ammoniak betriebenen Motors für die Schifffahrt in  https://man-es.com/docs/default-source/press-releases-new/20201021_man_es_pr-aengine-mes_de.pdf?sfvrsn=7cc3d7c4_2

 

[6] Herstellung von nachhaltigem, fortschrittlichem Bio-Ethanol durch ein innovatives Gas-Fermentationsverfahren unter Verwendung von Abgasen aus der STAHL-Industrie in https://ec.europa.eu/inea/en/horizon-2020/projects/h2020-energy/biofuels/steelanol

 

[7] Industriekonsortium entwickelt Mittelschnellläufer mit Ammoniakantrieb in https://www.man-es.com/docs/default-source/press-releases-new/20210407_man_es_pr-four-stroke-ammonia-engine_de.pdf?sfvrsn=a73d7c8a_2